張江濤 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

微波天線自動對準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張江濤 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

提出了一種微波通信系統(tǒng)中通信雙方無需利用羅盤定位，計算初始對準(zhǔn)角度的天線自動對準(zhǔn)設(shè)計方法，介紹了微波天線自動對準(zhǔn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了微波天線自動對準(zhǔn)。這種方法大大簡化了人工操作步驟，使用簡單，操作方便。

天線對準(zhǔn)微波通信 Bootloader 嵌入式系統(tǒng)

微波通信作為重要的現(xiàn)代化通信方式，因其傳輸速率高、信息容量大、保密性好和抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于通信領(lǐng)域。目前，國際上的微波通信裝備為了提高通信距離和傳輸保密性能。常設(shè)計出較窄波束的天線，這些天線具有較強(qiáng)的方向性但通信雙方往往需要經(jīng)過較長時間的搜索調(diào)整才能將兩天線對準(zhǔn)，實現(xiàn)正常通訊。顯然，單憑操作人員的感官手動操作會使得天線指向調(diào)整時間長，難以實現(xiàn)精確對準(zhǔn)。為了保證通信鏈路建立的快速性與可靠性，研究自動化程度高、對準(zhǔn)速度快、精度高的微波天線自動對準(zhǔn)系統(tǒng)具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

微波天線自動對準(zhǔn)系統(tǒng)包括低頻設(shè)備、高頻設(shè)備、定向天線、全向天線和全方位直流變速云臺等。其中全向天線、云臺用于輔助自動天線對準(zhǔn)，定向天線在天線對準(zhǔn)完成后系統(tǒng)正常工作時使用。

天線對準(zhǔn)軟件分為低頻控制軟件和高頻控制軟件兩個部分，分別工作在低頻設(shè)備硬件平臺和高頻設(shè)備硬件平臺上。低頻控制軟件主要完成對信道及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的工作參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控，以及天線自動對準(zhǔn)過程控制。高頻控制軟件主要完成對高頻設(shè)備工作狀態(tài)的采集和設(shè)置、天線控制、云臺控制和對準(zhǔn)信號采樣。

通過低頻設(shè)備發(fā)出指令控制其它設(shè)備及接收其它設(shè)備數(shù)據(jù)，協(xié)同完成天線對準(zhǔn)功能。

1.1 處理器選擇

低頻設(shè)備內(nèi)部控制單元選用的是ATMEL公司的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的ARM微控制器，具有高性能32位RISC架構(gòu)與高密度的16位指令集和優(yōu)良的性能功耗比，是實時控制應(yīng)用的理想選擇處理能力強(qiáng)，滿足系統(tǒng)需求。

ARM微控制器提供2個串口，一個用于低頻設(shè)備和高頻設(shè)備間的信息交互，另一個用于與對端通信設(shè)備傳遞對控信息。

高頻設(shè)備內(nèi)部控制單元采用WINBOND公司的單片機(jī)W77E058為核心，W77E058內(nèi)置8位中央處理器單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、32K片內(nèi)程序存儲器、1KRAM、2個全雙工串行通信口。其中串口0采用直接方式與室內(nèi)監(jiān)控相連，串口1使用Maxim公司生產(chǎn)的MAX3082完成電平轉(zhuǎn)換與云臺相連。

1.2 天線的設(shè)計

在微波點(diǎn)對點(diǎn)通信中通常使用的都是高增益的定向天線，對準(zhǔn)非常困難。若發(fā)射端采用固定安裝的全向天線，則可以使對準(zhǔn)難度大大降低。微波天線自動對準(zhǔn)系統(tǒng)配置了全向天線和定向天線，通過云臺一起轉(zhuǎn)動。全向天線只能用于發(fā)射，不能用于接收，定向天線可同時發(fā)射與接收。

1.3 對準(zhǔn)信號的設(shè)計

粗對準(zhǔn)時采用全向天線發(fā)射，定向天線接收。精對準(zhǔn)時改用定向天線發(fā)射，定向天線接收。

2 Bootloader設(shè)計

啟動程序（BootLoader）就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序，相當(dāng)于PC機(jī)的BIOS。對于PC機(jī)，其開機(jī)后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS完成的，但對于嵌入式系統(tǒng)來說，出于經(jīng)濟(jì)性、價格方面的考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序，這就是所需要的開機(jī)程序。啟動時用于完成初始化操作的這段代碼被稱為BootLoader程序，簡單地說，通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)定在一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

3 天線自動對準(zhǔn)過程設(shè)計

3.1 粗對準(zhǔn)過程

粗對準(zhǔn)階段采用全向天線發(fā)射信號定向天線接收信號的方式，采用這種方式對準(zhǔn)雙方可以同時進(jìn)行對準(zhǔn)。因為采用全向天線發(fā)射信號需要降低傳輸速率，獲得低門限以彌補(bǔ)全向天線增益的降低。定向天線在水平和垂直方向進(jìn)行全范圍的掃描，尋找接收電平超過門限值的峰值點(diǎn)，將找到的峰值點(diǎn)的位置和接收電平值記錄下來。分析記錄下來的峰值點(diǎn)的信號強(qiáng)度，并將峰值點(diǎn)的位置按信號強(qiáng)度的大小進(jìn)行排序。排序完成后，按照順序先將天線轉(zhuǎn)動到獲得峰值點(diǎn)的位置，通過對控信道進(jìn)行對準(zhǔn)雙方的握手，握手成功則開始進(jìn)行精對準(zhǔn)，如果粗對準(zhǔn)不成功則返回等待開始自動對準(zhǔn)界面。

3.2 精對準(zhǔn)過程

關(guān)閉全向天線轉(zhuǎn)為定向天線收發(fā)，傳輸速率改為為正常通信速率，此時因雙方均采用定向天線收發(fā)，如果兩端天線同時轉(zhuǎn)動進(jìn)行搜索，必然會導(dǎo)致雙方接收信號電平的雜亂無章而無法進(jìn)行分析找到正確方位，所以采用通信雙方交替進(jìn)行搜索的控制算法，接收信號電平和誤碼率都滿足后，天線對準(zhǔn)完成。

4 結(jié)語

提出了一種適用于機(jī)動微波通信的、完全擺脫其他通信輔助設(shè)備的全自動天線對準(zhǔn)方案，通過試驗驗證了該方案的有效性和可行性。此設(shè)計方法操作簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠，對其它類似的天線對準(zhǔn)設(shè)計有一定的參考作用。

[1]譚穎琦.微波天線對準(zhǔn)平臺控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文,2006

[2]李海濤,李燕,張建忠.微波定向天線對準(zhǔn)實現(xiàn)方法.電磁場與微波,2011,第3期,44-46